材料中原子的迁移分析PPT学习教案

1、会计学1材料中原子的迁移分析材料中原子的迁移分析nSurface hardening of steel：齿轮渗碳等：齿轮渗碳等n半导体掺杂半导体掺杂n导电陶瓷导电陶瓷n涂层与薄膜涂层与薄膜n涡轮叶片的热障涂层涡轮叶片的热障涂层n水及气体处理：过滤和离子交换树脂水及气体处理：过滤和离子交换树脂n电泳和电镀电泳和电镀第1页/共104页0tC0tC第2页/共104页菲克第一定律的推导菲克第一定律的推导 第3页/共104页第4页/共104页 dxdCDdxdCdxJ 221 dxdtCCfdtdxfCdxfCdtnnfJ21212121)(2121 fdxD221 dxCCfnnfJ21212121

2、第5页/共104页xCDJ第6页/共104页xCDJxx（2）zCDJzzyCDJyyyCxCzC第7页/共104页n流经两个垂直于流经两个垂直于x轴相距为轴相距为dx的平面的平面1和平面和平面2上的通量并不相等，是一种上的通量并不相等，是一种“非稳态扩散非稳态扩散” 菲克第二定律的推导菲克第二定律的推导 n扩散通量扩散通量J不是常数，而是随时间以及不是常数，而是随时间以及x方向各点的位置而变化方向各点的位置而变化第8页/共104页（微小体积中积存的物质量）（流入的物质量）（流出的物质量）（微小体积中积存的物质量）（流入的物质量）（流出的物质量）第9页/共104页（3）（4）（5）dxxJJJ

3、J21率小体积内物质的积存速xcDJ1dxxJDJJ12第10页/共104页（6）dxtctcdx )()(xcDxtc（8）tcDJ（9）22xcDtcxJtcdxxJdxtc 第11页/共104页222222zcDycDxcDtczyx（10）)()()(zcDzycDyxcDxtc（11）)(222222zcycxcDtc第12页/共104页22222sin1)(sinsin1)(ccrrcrrDtc0c022c)2(22rcrrcDtc 第13页/共104页 22xcDtc第14页/共104页第15页/共104页第16页/共104页)15(221221 DtxerfCCCCC dEXP

4、erf 022第17页/共104页第18页/共104页第19页/共104页0 xc第20页/共104页)2(221212Dtxerfccccc)2(22101Dtxerfccccco2120ccc )2(101Dtxerfcccc1022ccc 第21页/共104页第22页/共104页927渗碳，从渗碳，从Fe-Fe3C相图可以看出，该温度下碳在相图可以看出，该温度下碳在-Fe中的最大中的最大溶解度为溶解度为1.3%，纯铁表层吸收碳原子后立即达到饱和浓度，而内部的，纯铁表层吸收碳原子后立即达到饱和浓度，而内部的含碳量几乎为零含碳量几乎为零第23页/共104页dDtxerfDtx202)exp(

5、2)2()2(10Dtxerfcc )2(221212Dtxerfccccc第24页/共104页)2(10Dtxerfcc ）（，6x8 . 6t4x)8 . 6(10DxerfCC 第25页/共104页第26页/共104页第27页/共104页第28页/共104页)2(1101Dtxerfcccc68. 0)1 . 0( Dterf 220198. 071. 01 . 071. 01 . 0cmDtDt 220198. 071. 01 . 0cmDt 第29页/共104页 220198. 071. 01 . 0cmDt RTQDD exp0 TD16558exp23. 0 TscmDcmt/1

6、6558exp0861. 0)/(/ )(0198. 022 第30页/共104页第31页/共104页Cm为铸态合金中原始成分偏析的振幅，为铸态合金中原始成分偏析的振幅，为溶质原子浓度最高点与最低点为溶质原子浓度最高点与最低点之间的距离，即枝晶二次轴之间距离（之间的距离，即枝晶二次轴之间距离（AB）的一半）的一半 xCCmx sin第32页/共104页0),2( txdxdC xCCmx sin第33页/共104页 )24(expsin,22 DtxCtxCm 1sin x 22exp,2 DtCtCm 第34页/共104页 1001exp22 Dt )28(467. 02Dt 100exp2

7、2 Dt 1001,2 mCtC 第35页/共104页 Dt2467. 0 第36页/共104页n与浓度梯度有关的扩散一般是高浓度向低浓度扩与浓度梯度有关的扩散一般是高浓度向低浓度扩散过程的浓度梯度问题，称为散过程的浓度梯度问题，称为“下坡扩散下坡扩散” （或（或称为称为“顺扩散顺扩散” ） n还存在低浓度向高浓度的扩散过程称为还存在低浓度向高浓度的扩散过程称为“上坡扩上坡扩散散” （或称为（或称为“逆扩散逆扩散” ）1、上坡扩散、上坡扩散第37页/共104页第38页/共104页xMJ （23）第39页/共104页jnPTiinGu.)(iinc/iicniiCGu第40页/共104页iiCG

8、uxcGxuii2xuMJxccGMJ22cGMD22第41页/共104页cGMD22022cGxc022cGxccGMD22n扩散结果会使固溶体合金分解为合金元素含量高和合金元素含量低扩散结果会使固溶体合金分解为合金元素含量高和合金元素含量低的两种成分不同、结构相同的组织状态的两种成分不同、结构相同的组织状态第42页/共104页是判断扩散方向的依据是判断扩散方向的依据cG22发生下坡扩散发生下坡扩散022cG固溶体成分均匀化自由能最低固溶体成分均匀化自由能最低第43页/共104页022cG第44页/共104页第45页/共104页第46页/共104页第47页/共104页第48页/共104页第4

9、9页/共104页第50页/共104页第51页/共104页第52页/共104页晶体中存在大量空位，存在空位使熵增加。晶体中存在大量空位，存在空位使熵增加。第53页/共104页第54页/共104页n空位扩散机制可以很好的解释柯肯达尔效应。空位扩散机制可以很好的解释柯肯达尔效应。n柯肯达尔试验时，镍原子较铜原子扩散的快，故，存在一个柯肯达尔试验时，镍原子较铜原子扩散的快，故，存在一个净镍原子流越过钨丝流向铜一侧；同时存在一个净空位流越净镍原子流越过钨丝流向铜一侧；同时存在一个净空位流越过钨丝流向镍一侧，这样必然使铜一侧空位浓度下降（低于过钨丝流向镍一侧，这样必然使铜一侧空位浓度下降（低于平衡浓度），

10、镍一侧空位浓度升高（高于平衡浓度）。当两平衡浓度），镍一侧空位浓度升高（高于平衡浓度）。当两侧空位浓度回复到平衡浓度时，侧空位浓度回复到平衡浓度时，n铜一侧因空位浓度增加而伸长，铜一侧因空位浓度增加而伸长，n镍一侧因空位浓度的降低而缩镍一侧因空位浓度的降低而缩n短，相当于钨丝向镍一侧移动短，相当于钨丝向镍一侧移动n了一段距离。了一段距离。第55页/共104页第56页/共104页 第57页/共104页第58页/共104页面心立方面心立方(fcc)中中间隙扩散中的几率间隙扩散中的几率P P第59页/共104页如果如果n1n2，则晶面，则晶面2上净增加的原子数为上净增加的原子数为 ： tnnNN 2

11、1122161 ：tntPnNtntPnN 22121121212212第60页/共104页ddXdCCC 12第61页/共104页将体积浓度将体积浓度C=n/a代入上式可得代入上式可得dxdCdnnddxdCdndn21212 dxdCdnntNNJ 22112216161第62页/共104页根据菲克第一定律根据菲克第一定律）（4612 dD第63页/共104页AZvdD2061 kTGAZvddDexp616122 261dD kTQDDexp0第64页/共104页扩扩 散散 元元 素素 基基 体体 金金 属属 D0 /(10-5m2/s) Q / (103J/mol) C -Fe 2.0

12、 140 C -Fe 0.20 84 N -Fe 0.33 144 N -Fe 0.46 75 Fe -Fe 19 239 Fe -Fe 1.9 270 Ni -Fe 4.4 283 Mn -Fe 5.7 277 Cu Al 0.84 136 Zn Cu 2.1 171 Ag Ag（晶内扩散）（晶内扩散） 7.2 190 Ag Ag（晶界扩散）（晶界扩散） 1.4 90 第65页/共104页第66页/共104页4.4 影响扩散的因素影响扩散的因素nD0和和Q可随合金成分以及扩散机制的不同而变化可随合金成分以及扩散机制的不同而变化 DD0exp(-Q/RT)（15）第67页/共104页第68页/

13、共104页第69页/共104页第70页/共104页第71页/共104页在晶界和自由表面附近，点阵在晶界和自由表面附近，点阵畸变严重，空位密度和空位的畸变严重，空位密度和空位的迁移率均比晶内高，因此面缺迁移率均比晶内高，因此面缺陷处扩散激活能较低，借助空陷处扩散激活能较低，借助空位扩散机制的扩散容易进行位扩散机制的扩散容易进行设想在垂直于双晶体晶界的外设想在垂直于双晶体晶界的外表面上镀一层扩散物质表面上镀一层扩散物质M（或同（或同位素示踪原子），使其扩散，位素示踪原子），使其扩散，发现物质发现物质M扩散到晶格去的深度扩散到晶格去的深度要比扩散到晶界和外表面的小要比扩散到晶界和外表面的小得多得多第

14、72页/共104页第73页/共104页n多晶银（直线多晶银（直线1）的斜率约为单晶）的斜率约为单晶银（直线银（直线2）的斜率的二分之一，）的斜率的二分之一，表明晶界扩散激活能约为体扩散表明晶界扩散激活能约为体扩散激活能的一半激活能的一半多晶银和单晶银的扩散系数与多晶银和单晶银的扩散系数与1/T的关系的关系 700以下以下 多晶银中包含晶多晶银中包含晶界扩散界扩散,自扩散自扩散系数比单晶银的系数比单晶银的大大 scmRTD26400exp103 . 251 scmRTD95.45exp859. 02 第74页/共104页第75页/共104页第76页/共104页n如未变形的钽片在渗碳介质中于如未变

15、形的钽片在渗碳介质中于1900保持保持12h，其表面上所形成的渗碳层，其表面上所形成的渗碳层厚度小于厚度小于0.01mmn经过经过75%变形后，经过变形后，经过1h的渗碳就能形成厚度为的渗碳就能形成厚度为0.6mm的渗碳层，渗碳速度的渗碳层，渗碳速度提高了提高了720多倍多倍第77页/共104页（1）扩散系数随晶体结构的改变而变化）扩散系数随晶体结构的改变而变化第78页/共104页第79页/共104页n各向异性晶体的各方向原子间距不一样，扩散系数也不相同各向异性晶体的各方向原子间距不一样，扩散系数也不相同n扩散系数的各向异性在立方晶体中几乎不存在，但对对称性交叉的晶体扩散系数的各向异性在立方晶

16、体中几乎不存在，但对对称性交叉的晶体结构中表现显著。结构中表现显著。n具有菱方结构的铋有明显方向性具有菱方结构的铋有明显方向性n平行于平行于0001方向上扩散系数小于垂直方向上的扩散系数方向上扩散系数小于垂直方向上的扩散系数n密排六方晶系的锌密排六方晶系的锌n平行于底面的平行于底面的D0.13exp(-21800/RT)n垂直于底面的垂直于底面的D=0.58exp(-24800/RT)n因为平行因为平行0001方向上的扩散，原子要通过原子排列最密的（方向上的扩散，原子要通过原子排列最密的（0001）面，所以要困难一些，这种异向性随温度升高逐渐减小）面，所以要困难一些，这种异向性随温度升高逐渐减

17、小第80页/共104页第81页/共104页第82页/共104页第83页/共104页第84页/共104页第85页/共104页第86页/共104页第87页/共104页n 1.加入加入4%的钴可使碳在的钴可使碳在-Fe中的扩散中的扩散速率增加一倍速率增加一倍n 2.加入加入3%Mo或或W，则使其减小一半，则使其减小一半，Mo对碳在对碳在-Fe中扩散的影响还与温度中扩散的影响还与温度有关，当温度低于有关，当温度低于1100时，扩散速率时，扩散速率减慢；高于减慢；高于1100时则加速时则加速n 3.Mn和和Ni对对C在在-Fe中的扩散无影响中的扩散无影响第88页/共104页a.形成碳化物元素形成碳化物元

18、素 b.形成不稳定碳化物形成不稳定碳化物 c.不形成碳化物而溶于固溶不形成碳化物而溶于固溶体中的元素体中的元素 影响各不相同，如影响各不相同，如Co、Ni可提高可提高C的扩散系数，的扩散系数，而而Si则降低碳的扩散系数则降低碳的扩散系数如如Mn对碳的扩散影响不对碳的扩散影响不大大如如W、Mo、Cr等降低碳等降低碳的扩散系数的扩散系数第89页/共104页第90页/共104页纯铁渗氮层的浓度变纯铁渗氮层的浓度变化化氮的浓度氮的浓度是突变的是突变的，不存在，不存在两相区两相区Fe-N相图相图 纯铁纯铁520为含为含氮的氮的固溶固溶体体，以，以Fe3N为基为基的固的固溶体溶体，以，以Fe4N为为基的固基的固溶体溶体第91页/共104页氮的浓度氮的浓度是突变的是突变的，不存在